Dan's Brain

Reti I

university

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Teoria

Introduzione alle Reti di Calcolatori

Internet come esempio delle reti

Componenti

  • Computing Devices connessi
    • hosts / sistemi terminali
      • alla periferia della rete
      • eseguono degli applicativi
        • applicazioni di rete
    • links
      • wireless
      • wired
    • router
      • collegati tra di loro
      • collegati agli hosts
        • permettono a questi di comunicare a grandi distanze
        • packet switching
  • Gerarchia
    • Internet come rete di reti
    • home Network
      • Regional ISP
        • Global ISP
          • mobile Network
      • Institutional Network

In sostanza:

  • hosts: clients, servers / dispositivi periferici alla rete / edge networks
    • in prevalenza wireless
    • access network punto di accesso
      • per connettere terminali si utilizzano router di frontiera
      • reti di accesso residenziale/istituzionale/mobile
  • routers in profonditá nella rete / core network
    • in prevalenza wired

  • Accesso

    • Digital Subscriber Line

      DSL Utilizza linee telefoniche esistenti

      • splitter
        • dati vanno su Internet
        • voce va sulla rete telefonica

      La linea é asincrona:

      • Up < 1Mbps
      • Down < 10Mbps
        • poiché questa é la piú utilizzata generalmente

      Collegato direttamente alla Centrale

    • Cable Network

      Via cavo, utilizzata dagli anglosassoni

      • cavo condiviso da vari utenti
      • cable modem
        • collegato da uno splitter
          • dati vanno su Internet
          • segnale televisivo va su TV
          • vengono utilizzate tecniche di multiplexing
      • Hybrid fiber coax
        • Up < 2Mbps
        • Down < 30Mbps

      A differenza della DSL non ha un collegamento diretto al centtrale

    • Enterprise Access Network

      Ethernet, sono dei Router che fanno parte della rete internet del ISP

      • institutional router
        • Ethernet switch
          • connessioni singole
      • Velocitá: 10Mbps, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps

    • Wireless Access Network

      • LAN:
        • 100ft
        • 802.11 b/g: 11Mbps, 54Mbps
      • Wide-Area
        • telco operator, 10km
        • 1 - 10 Mbps
          • 3G, 4G, LTE

  • Host

    Invio di pacchetti di dati tra gli Host pacchetti di bit di lunghezza \(L\), trasmissione a velocitá \(R\)

    • packets
    • link bandwidth

    Packet Transmission Delay = \(\frac{L}{R}\)

  • Mezzi Trasmissivi

    • guiditati
      • il segnale segue un percorso ben preciso
      • cavi
        • Twisted Pair (TP)
          • 2 cavi di rame intrecciati
        • Coaxial Cable
          • 2 cavi di came concentrici
          • maglia di rame intorno per schermare
          • cavo interno biderezionale banda langa
        • Fiber Optic
          • fibre di vetro all’interno della quale passa la luce
          • il segnale é luminoso, ogni bit é un impulso luminoso
          • molto flessibili
          • molto veloci, immune alle interferenze elettromagnetiche
            • tasso di errore molto basso
    • non guidati
      • onde radio
        • segnali trasportati nello spettro elettromagnetico
        • possono essere riflessi, ostruiti, interferiti
        • Microonde terresti
          • < 45Mbps
        • LAN WiFI
          • < 11 - 54Mbps
        • Wide-Area
          • 3G, 4G
        • satellitare
          • delay per la distanza con il satellite
          • da Kbps a Mbps

  • Nucleo della Rete

    Packet Switching preferito perché permette a piú utenti di usare la rete contemporaneamente

    • questo in quanto é bassa la probabilitá che tutti gli utenti siano attivi contemporaneamente

  • Packet Switching

    Router Interconnessi che comunicano usando il packet switching

    • ogni pacchetto ha lo stesso formato e dimensione, semplici da smistare verso la destinazione
    • ogni pacchetto usa l’intera capacitá del collegamento per essere inviato

    Store-And-Forward

    • il router deve ricevere almeno parte del pacchetto, supponiamo tutto
    • solo allora puó decidere su quale collegamento in uscita trasmetterlo

    Queuieng and Loss

    • in uscita solo un pacchetto puó passare per volta

      • si formano delle code nel buffer del router
      • se la coda é piena un nuovo pacchetto viene scartato

    • Funzioni principali del Nucleo

      • routing - instradamento
        • Routing Algorithm
          • determina il cammino che i pacchetti dovranno seguire
        • Local Forwarding Table
      • forwarding - inoltro
        • copia sull’uscita scelta il pacchetto

    Piú semplice del circuit switching, i router non devono attivarsi per creare la connessione, ma condividendo le risorse possono crearsi congestioni

    • puó essere garantita banda ad alcune app audio/video per ottenere del comportamento simile al circuit switching

    • Circuit Switching

      Creare un collegamento diretto tra mittente e destinatario C’é una ridondanza di collegamenti tra i router

      • a seguito di una richiesta i router aprono e chiudono i circuiti per creare una linea diretta di circuiti
      • con questo schema non ci sono risorse condivise a differenza del Packet Switching
        • i pacchetti andranno alla massima velocitá possile
        • un circuito non utilizzato puó essere considerato uno spreco
      • FDM
      • TDM

Protocolli

Skype, TCP, IP, HTTP, 802.11 Definiscono:

  • formato,ordine di messaggi ricevuti e mandati
  • azioni intraprese su invio e ricevuta di messaggi

Internet Stardards

  • RFC: Request for comments
  • IETF: Internet Engineering Task Force
    • ente che valuta e accetta standard di comunicazione

Packet Delay

\(d_{nodal} = d_{proc} + d_{queue} + d_{trans} + d_{prop}\)

  • processing
  • queue
    • dipende dalla congestione
  • transmission
    • dipende dalla velocitá
    • \(L/R\)
  • propagation
    • \(d/s\)
    • \(d\): lunghezza del collegamento
    • \(s\): velocitá di propagazione nel medium
      • \(2e8\) m/sec

Se il buffer é pieno il packetto é perso (packet drop) \(\frac{L\cdot a}{R}\) = traffic intensity \(a\) é la quantitá media di pacchetti in entrata quando questa frazione supera 1 i bit in entrata superano la capacitá trasmissiva, i buffer si vanno a riempire

  • Packet Loss

    Il buffer (coda) é piena, un pacchetto é perso, viene comunicato al router precedente/alla sorgente/viene ignorato

Throughput

due casi:

  1. \(R_{S}<R_{C}\)
  2. \(R_{S}>R_{C}\)

Throughput, la quantitá minima

  • compreso il bottlenoek link

Servizi

Internet puó essere definito come infrastruttura di servizio ad applicativi

  • che ne hanno bisogno per comunicare tra loro

Internet puó anche fornire un’interfaccia di programmazione utile alla comunicazione

  • Generalmente:
    • server
      • fornisce un servizio
    • client
      • accede a servizi

Ma la divisione non é netta, ogni Computer puó essere entrambi

L’ISP fornisce una certa bandwidth

  • che dipende anche dal proprio PC, che potrebbe fare bottleneck

Storia

  • 1961: Kleinrock
    • queuing theory dimostra l’efficacia del packet-switching
  • 1964: Baran
    • packet-switching in reti militari
  • 1967: ARPAnet
    • dell’Advanced Research Project Agency
  • 1969
    • attivazione primo nodo ARPAnet
  • 1972
    • prima vera rete ARPAnet, posta elettronica
  • 1970: ALOHAnet
  • 1974: Cerf and Kahn
    • architettura di interconnessione delle reti
    • principi alla base dell’architettura odierna
      • minimalismo
      • autonomia
      • controllo decentralizzato
      • best effort service model
      • dispositivi stateless
  • 1976: Xorox
    • Ethernet
  • 1979: ARPAnet ha 200 nodi

Proliferano Reti e Protocolli:

  • 1983: TCP/IP
  • 1982: smtp e-mail
  • 1983: DNS
  • 1985: ftp
  • 1988: controllo congestioni TCP

Commercializzazione e World Wide Web

  • 1990~: ARPAnet decommisionata
  • 1990~: Web
    • Berners-Lee
      • HTTP, HTML
  • 1994: Mosaic, poi Netscape

Livelli

Livello Applicativo

Applicazioni su terminali, permettono uno sviluppo e propagaziose software molto veloce

  • il software non si occupa dei dettagli implementativi della comunicazione web

  • Concetti delle Implementazioni

    Esistono strutture diverse per le applicazioni

    • client-server
      • server - attende richieste
        • host sempre acceso
        • IP permanente
        • data centers
      • client - invia richieste
        • comunicano con il server
        • puó essere connesso periodicamente
        • puó avere IP dinamico
        • non comunicano direttamente tra loro
    • peer-to-peer
      • non esiste un server sempre attivo
      • i peer possono comunicare direttamente
      • i peer richiedono servizio ad altri peer che li fornincono
      • auto-scalabile

    I processi inviano/ricevono messaggi attraverso i socket

    • analogo ad una porta
    • il percoso e il trasporto é lasciato ai livelli sottostanti

    Per ricevere i messaggi i processi devono avere un identificatore

    • l’host ha un IP unico, ma non basta
      • possono esserci tanti processi in esecuzione
    • IP-host + port number
      • HTTP server: 80
      • mail servel: 25

  • Protocolli di Livello Applicativo

    Definiscono

    • tipo dei messaggi
    • sintassi dei messaggi
    • semantica dei messaggi
    • regole per quando si inviano messaggi e si risponde

    Due tipologia

    • open protocols
      • RFC liberamente consultabili
      • permettono interoperabilitá
    • proprietary protocols

    • Integritá dati

      Alcune applicazioni non necessitano dati al 100% corretti Altre necessitano della completa integritá dei dati

    • Tempi di comunicazione

      Alcune applicazioni necessitano una certa temporizzazione, delay basso

    • Throughput

      Alcune applicazioni necessitano un minimo throughput da mantenere per funzionare

      • multimedia
      • a differenza di file-transfer
        • elastic app

    • Sicurezza

      Criptazione dei dati, integritá dei dati

    • TCP

      • reliable transport
      • flow control
      • congestion control
      • no
        • timing
        • security
        • minimum throughput
      • connection-oriented

    • UDP

      • unreliable data transfer
      • no
        • reliability
        • flow control
        • timing
        • security

      Non fornisce servizi particolari, é utilizzato per esempio da applicazioni multimediali

      • permette di inviare dati alla stesso velocitá a cui il mittente li puó inviare

    • HTTP

      HyperText Transfer Protocol

      • pagine = insieme di oggetti

      • pagine che hanno riferimenti ad altri oggetti

        • identificati URL

      • client: browser

      • server: web server

      Utilizzando TCP

      • lato client inizializza connessione creando socket su client e connettendosi alla porta 80 sul server

      HTTP é stateless

      • non mantiene informazioni riguardo le passate connessioni

      • questo perché un protocollo con stato é molto complesso

      • non-persistent

        • al massimo 1 oggetto viene inviato su TCP
          • poi si chiude
        • si deve aprire una nuova connessione per ogni UL/DL
        • RTT tempo di andata e ritorno per dati dal client al server
          • puó essere calcolato dal client con questa definizione

      • persistent

        • viene mantenuta la stessa connessione TCP per un periodo
        • puó velocizzare leggermente la comunicazione
        • 1.0

      • Metodi

        • POST
          • web page include input
        • URL

      • differenze versioni

        • 1.0
          • GET
          • POST
          • HEAD
        • 1.1
          • precedenti
          • PUT
          • DELETE

      • Status Codes

        • 200 OK
        • 301 Moved Permanently
        • 400 Bad Request
        • 404 Not Found
        • 505 HTTP Version Not Supported

      • Cookies

        Dato che il protocollo é stateless i cookies sono utilizzati per memorizzare alcune informazioni

        • 4 componti
          • header HTTP response
          • header HTTP request
          • cookies mantenuti sulla memoria del browser
          • DB backend sito Web

        Utilizzati per

        • mantenere autorizzazioni
        • carrelli della spesa
        • pubblicitá targettizzata
        • sessione Web utente (email)

      • Web Caches

        Per fornire all’utente ció che richiede senza interagire direttamente con il server d’origine

        • una richiesta giá fornita puó essere risolta da un proxy server cache
          • solitamente installati dalle ISP
          • riduce il carico sul link di accesso
            • secondo un suo hit rate
        • lo stesso browser inserisce gli oggetti ricevuti in cache

      • Conditional GET

        Per controllare che gli oggetti ricevuti siano aggiornati

        • le cache fanno C.GET al server
          • la risposta non contiene nessun oggetto se la versione in cache sia aggiornata

    • FTP

      File Transfer Protocol

      • TCP, per trasferimento affidabile
      • client-server
      • porta 20-21
      • Richiede autenticazione
        • primo TCP - client puó navigare il filesystem remoto
          • chiusa alla fine della comunicazione
        • secondo TCP - dopo file transfer command il server apre connessione (porta 20)
          • chiusa alla fine della trasmissione del file
      • control connection: out of band
        • 2 canali diversi
      • il server FTP mantiene lo stato
        • directory corrente
        • autenticazione utente

      • Comandi e Codici

        Comandi

        • USER username
        • PASS password
        • RETR filename
        • STOR filename
        • CD directory

        Codici di ritorno

        • 331 Username OK, password required
        • 125 data connection already open
        • 425 Can’t open data connection
        • 452 Error writing file

    • SMTP

      Simple Mail Transfer Protocol 3 componenti

      • user agents
        • client
        • interfaccia utente
      • mail servers
        • i messaggi in uscita e in entrata vengono memorizzati qui
      • SMTP
        • utilizzato nella comunicazione diretta tra i mail server, o dai user agents ai server

      Specifiche:

      • porta 25
      • trasferimento diretto dei messaggi tra i server
      • 3 fasi
        • handshake
        • transfer
        • closure
      • comandi/risposte
        • ASCII
        • Status code & frase descrittiva
      • messaggi in ASCII 7-bit
      • connessioni persistenti
      • protocollo di tipo push
        • invia dati al server, al contrario di HTTP
      • oggetti multipli fanno parte dello stesso messaggio
        • mentre HTTP incapsula ogni oggetto all’interno di una risposta ognuno

    • POP3

      • authorization phase
        • user, pass
        • OK, ERR
      • transaction phase
        • list, retr, dele, quit

    • DNS

      Domain Name System protocollo di Livello Applicativo

      • Internet hosts router
        • IP address 32 bit
        • nome simbolico leggibile
      • DNS si occupa di mappare IP a nome e viceversa

      • Specifiche

        • database distribuito
        • host e name server comunicano per risolvere i nomi in IP
        • é implementato come Application-Layer
          • la complessitá é lasciata ai sistemi terminali
            • se fosse centralizzato sarebbe l’unico punto di fallimento, database singolo e lontano, grande traffico, manutenzione complessa e costosa
        • distribuisce il carico
          • indirizza il client che fa la richiesta verso l’indirizzo IP meno carico di richieste tra quelli disponibili

        Il sistema é distribuito e gerarchico

        • com DNS servers
          • yahoo.com DNS serves
          • …
        • org DNS servers
          • pbs.org DNS servers
        • edu DNS servers
          • poly.edu DNS servers

      • Gerarchia

        • Root

          I server DNS radici sono 13, in tutto il mondo

          • interrogati solo se uno dei server sottostanti non riesce a risolvere il nome

        • TLD

          Top Level Domain com, org, net, edu, jobs, uk, it, fr Educause e Network Solution gestiscono questi domini

        • Authorative DNS

          DNS propri delle organizzazioni pubbliche e private

        • Local DNS

          Non appartengono strettamente alla gerarchia

          • ogni ISP ne ha uno
          • quando l’host fa una query questa é inviata a questo DNS
            • gestito localmente
            • se non puó risolvere l’indirizzo agisce come proxy e risale la gerarchia
              • la query puó essere ricorsiva o itecativa

      • Caching

        Una volta risolto un indirizzo il servel lo memorizza

        • timeout, per evitare associazioni obsolete - TTL
          • time to leave
        • tipicamente la cache é mantenuta nei DNS locali

      • Resource Records

        RR (name, value, type, ttl)

        • tipi
          • A
            • name = hostname
            • vasue = IP
          • CNAME
            • name = sinonimo
            • value = hostname / nome canonico
          • NS
            • name = domain
            • value = hostname del Authorative DNS
          • MX
            • name = nome
            • value = mailserver

      • Messaggi

        • header
          • identification
          • flags
            • query or reply
            • recursive or not
            • recursion available
            • reply authoritative
        • questions
          • name, type
        • answers
          • RRs
        • authority
        • info

  • Architetture

    • Client-Server

    • P2P

      Peer to Peer Non esiste un server sempre attivo

      Utilizzato in

      • condivisione di file
        • BitTorrent
          • file diviso in chunks dal server e distribuiti in rete
          • i peer condividono tra loro (torrent)
          • tracker
            • tiene traccia dei chunks dei peer
            • registra i peer
          • tit-for-tat
            • ci si scambia chunks dai peer piú vicini, piú a contatto
            • ogni 30 secondi si selezionano peer random
      • VoIP
      • streaming

      Qualunque Peer é un pari, ognuno di essi puó condividere risorse

      • Skype

        Inerentemente P2P Server:

        • gestisce login
        • mette in contatto i peer

        Clients

        • mappati sui SuperNodi
          • username -> IP

        Peer riflettori - relays

        • I NAT non permettono connessione diretta tra i clients
        • i supernodi fanno da relay
          • i supernodi tra loro comunicano
          • aprono una connessione tra i dispositivi

  • Programmazione Socket

    • Socket - operato dallo sviluppatore
      • porta tra processo e protocollo di trasporto end-to-end
    • TCP - operato dal OS
      • buffer
      • variabili
    • UDP
      • non c’é connessione tra client e server
        • questi si scambiano solo messaggi
      • i dati possono perdersi o essere consegnati in ordine diverso a quello di invio

Livello di Trasporto

Comunicazione logica tra processi

  • affidabile, consegna ordinata
    • TCP
  • non affidabile, consegna disordinata
    • UDP

  • Multiplexing

    • Multiplexing mittente
      • aggiunge transport header
    • Demultiplexing ricevente
      • riceve IP datagramma
      • con IP mittente e IP destinatario
      • con numero di porta mittente e destinatario

  • TCP

    • 4-tupla
      • source IP
      • source port number
      • dest IP
      • dest port number

    • Caratteristiche

      • point-to-point
      • reliable, in-order byte stream
      • full duplex data
      • pipelined
        • congestion e flow control impostati a window size
        • ACK cumulativi
          • del pacchetto che si aspetta di ricevere
      • connection-oriented
        • handshaking
      • flow controlled

    • Segmento

      • campi da 32 bit
        • source port # | dest port #
        • sequence #
        • ACK #
        • head len | not used | U | A | P | R | S | F | receive window
        • checksum | urg data pointer
      • campi a lunghezza variabile
        • options
        • application

    • Timeout

      • piú lungo del RTT - Round Trip Time
        • ma puó variare
      • corto
        • trasmissioni non necessarie
      • lungo
        • trasmissione poco reattiva a packet-loss
      • Si stima RTT
        • tempo dalla trasmissione alla ricezione ACK
        • si fa una media dei Sample
          • \(RTT_{\text{est}} = (1-\alpha)\cdot RTT_{\text{est}}+\alpha\cdot \text{Sample}\)
            • dove solitamente \(\alpha = 0.125\)
          • \(\textsc{Dev}_{\textsc{rtt}} = (1-\beta) \cdot \textsc{Dev}_{\textsc{rtt}} + \beta \cdot |\text{Sample}-RTT_{\text{est}}|\)
            • dove solitamente \(\beta = 0.25\)
            • margine di sicurezza
        • \(\text{TimeoutInterval} = RTT_{\text{est}} + 4\cdot \textsc{Dev}_{\textsc{rtt}}\)
      • timer impostato sul pacchetto piú vecchio di cui non si é ricevuto ACK

    • ACK

      • vari scenari per ridurre il numero di ACK

    • Fast Retransmit

      • 3 ACK duplicati indicano che probabilmente un segmento é andato perso
      • non aspettare il timer ma ritrasmetti immediatamente il segmento unacked

    • Connection Management

      • handshake
        • si decide di stabilere la connessione
        • si decidono i parametri di comunicazione
      • socket buffer, variabile
        • comunicato dal ricevente

      Listen → SYN sent → Established Listen → SYN received → Established

      • Congestion Control

        TCP é un protocollo fair rispetto alle connessioni e le loro capacitá trasmissive Troppe sorgenti che inviano dati ad una velocitá superiore a quella gestibile dalla rete

        • pacchetti perse per buffer overflow ai router
        • lunghi ritardi in coda ai buffer dei router

        Con conoscenza perfetta il mittente invierebbe solo quando il router ha spazio libero in buffer, questo ovviamente non puó avvenire. Anche se si sapesse prima che il pacchetto é perso per buffer pieno il mittente reinvia Le ritrasmissioni sono il prezzo da pagare per avere un buon throughput

        Due approcci:

        • end-end
          • congestione inferita dalla perdita e ritardo osservati dai terminali
            • cambiando la finestra di trasmissione cwnd
          • usato da TPC
            • additive increase multiplicative decrease
              • cresce linearmente, limitata dividendo per 2
            • mittente incrementa cwnd fino a quando rileva perdita
            • slow start
              • fino alla prima perdita aumenta cwnd esponenzialmente
            • reazione alla perdita
              • timeout
                • finestra di trasmissione torna a 1
                • slow start fino a threshold
              • 3 ACK duplicati (uguale al timeout in TCP Tahoe)
                • finestra di trasmissione dimezzata (TCP RENO)
        • network-assisted
          • router danno feedback ai terminali
          • bit che indica congestione
          • esplicita una frequenza di trasmissione per il mittente
          • ATM ABR
            • servizio elastico
              • se il cammino é congestionato il mittente viene limitato
              • se il cammino é libero il mittente viene avvantaggiato
            • celle Resource Manager
              • mandate assieme alle celle dei dati
              • contengono informazioni sulla congestione
              • restituiti al mittente dal ricevente con i bit intatti

        Le app di multimedia non usano TCP per evitare il throttling dovuto al congestion control, tollerano il packet loss.

  • UDP

    User Datagram Protocol

    • bare bones
    • best effort
      • i segmenti possono essere persi
      • consegna disordinata
    • connectionless
      • niente handshaking
      • ogni segmento é gestito indipendentemente
    • usi
      • streaming
      • DNS
      • SNMP

    Non avendo connessione iniziale é piú veloce, non ha limiti di congestion control, header piccoli.

    • gestione errori
      • UDP checksum
        • mittende e destinatario calcolano la checksum e la confrontano

  • RDT

    Reliable Data Transfer

    • 1.0
      • channel sottostante perfettamente affidabile
      • FSM separate per sender / receiver
    • 2.0 - errors
      • channel sottostante puo' invertire bit
        • checksum
      • ACK
        • receiver comunica al sender OK
      • NAK
        • receiver comunica al sender che si hanno errori
        • sender ritrasmette
    • 2.1
      • se ACK o NAK corrotti
        • ritrasmesso il pacchetto
      • per gestire i duplicati sender aggiunge numero di sequenza
        • 0 o 1
    • 2.2
      • stessa funzionalitá ma senza NAK
      • ACK dell’ultimo pacchetto ricevuto OK invece di NAK
    • 3.0 - errors and loss
      • il canale sottostante puó anche perdere pacchetti
      • implementiamo un’attesa ragionevole
        • dopo di che il mittente se non ha ancora ricevuto ACK ritrasmette
        • i ritardi inducono del lavoro in piú con delle sovrapposizioni di invio e risposta

    • Performance

      3.0 é corretto, le performance sono problematiche

      • il protocollo limita l’uso delle risorse fisiche disponibili

      Il protocollo é molto limitato dal \(\textsc{rtt}\) in quanto si deve stare in attesa del ACK di risposta per poter procedere

  • Pipelining

    Per risolvere il problema di performance del RDT si continuano a trasmettere pacchetti anche durante l’attesa dell'ACK Ci sono due forme generiche di pipelined protocols:

    • Go-Back-N
      • sender invia fino a N pacchetti unacked
        • c’é una finestra di grandezza N tra tutti i pacchetti comprendente:
          1. pacchetti inviati, senza ACK
          2. pacchetti disponibili ad essere inviati
      • receiver invia solo ACK cumulativo
        • non lo invia se c’é un gap
        • non necessita buffering a questo lato
          • si riceve solo nell’ordine corretto, altrimenti si scarta
      • sender ha un timer per il piú vecchio pacchetto unacked
        • quando scade reinvia tutti i pacchetti unacked
    • Selective Repeat
      • sender invia fino a N pacchetti unacked
      • receiver invia ACK singoli
      • sender ha un timer per ciascun pacchetto unacked
        • reinvia solo quello relativo allo scadere

Livello di Rete

Comunicazione logica tra hosts

  • Datagram

    Internet Non c’é setup di chiamata al livello di rete, i router non mantengono stati sulle connessioni.

    • non esiste il concetto di connessione a livello di rete
    • pacchetti inviati usando l’indirizzo di destinazione

    Caratteristiche:

    • scambio di dati tra computer
      • servizio elastico, timing variabile
    • connessioni diverse tra terminali
      • servizio poco uniforme
    • terminali intelligenti
      • semplice nella rete, complesso ai terminali

  • Virtual Circuit

    ATM Consiste in:

    • path

    • VC number

      • pacchetti appartenenti a VC portano il suo numero invece che l’indirizzo destinazione

    • voci delle forwarding tables

    • signalling protocols

      • setup, mantenimento e teardown VC
      • in ATM, frame-delay, X.25
      • non usato nell’internet odierno

    I router VC mantengono informazioni sullo stato della connessione.

    Tecnologia evoluta dalla telefonia

    • terminali semplici
      • complessitá all’interno della rete

  • Architettura Router

    Funzioni principali:

    • routing algorithms / protocol
      • routing processor
    • forwarding datagrams da incoming a outgoing
      • high-seed switching fabric
        • switching-rate
          • \(N\) multipli del rapporto input/output
        • tipologie
          • memory
            • prima generazione
            • 1 pacchetto alla volta
            • computer classico, switching sotto diretto controllo della CPU
          • bus
            • 1 pacchetto alla volta
          • crossbar
            • piú pacchetti per volta
    • input
      • line termination
        • physical layer
      • link layer protocol
        • data link layer
      • lookup, forwarding, queueing
        • datagram dest → lookup con forwarding table
        • queuing per sovrapposizione di output, per Head-of-the-Line blocking
    • output
      • datagram buffer, queueing
        • scheduling discipline sceglie datagrammi in coda
        • buffering avviene anche con uno switching veloce per via dei pacchetti che vanno allo stesso output
      • link layer protocol
      • line termination
    • buffer
      • dimensione approssimata a \(\frac{RTT \cdot C}{\sqrt{N}}\)
        • \(C\) link capacity
        • \(N\) numero di flussi

  • Internet Protocol

    IP Protocolli:

    • routing
    • IP
      • altri 20B di intestazioni
      • complessivamente 40B di overhead (TCP + IP) per ogni pacchetto
    • ICMP

    • IP Fragmentation

      Diversi collegamenti all’interno della rete hanno MTU diversi

      • Max. transfer size

      Datagrammi di grandi dimensione frammentati all’interno della rete

      • riasseblati alla destinazione
      • utilizzati i campi dell’intestazione IP per riassemblare i ordine corretto
        • fragflag
        • offset
          • su 13 bit
            • offset di 8B sul file (moltiplicare per 8 per posizione esatta)

    • Addressing

      identificatore a 32-bit per host, interfaccia del router

      • un IP per interfaccia
        • gestiti dall'ICANN
          • Internet Corporation for Assigned Names and Numbers
        • IP assegnati dinamicamente nella sottorete con DHCP
          • client-server
          • il protocollo permette di utilizzare stessi indirizzi in tempi diversi a host diversi
          • DHCP discover broadcast a tutti
            • offer
            • request
            • ACK
      • Classless InterDomain Routing
        • CIDR
        • porzione di sottorete dell’indirizzo
        • formato:
          • a.b.c.d/x
            • x # bit nella porzione di sottorete dell’indirizzo
      • gli ISP prendono carico degli indirizzi di loro dominio e di tutti i pacchetti a loro indirizzati

    • Network Address Translation

      NAT Gli indirizzi, anche se di numero molto grande, non soddisfano la domanda

      • in quanto sono assegnati in blocco

      Le reti locali utilizzano un solo IP per tutti i dispositivi

      • i singoli terminali non sono direttamente raggiungibili
        • livello di sicurezza in piú
      • si puó cambiare ISP senza cambiare IP a tutti i dispositivi in rete locale

      Implementazione:

      • datagrammi in uscita
        • IP sostituito con NAT
        • porta originale sostituita con una porta assegnata a quel pacchetto in particolare
        • altri pacchetti della stessa connessione riutilizzano sempre la stessa porta assegnata fino a che necessario
      • datagrammi in entrata
        • tradotto attraverso la NAT translation table

      Controverso:

      • i router non dovrebbero modificare le intestazione di livelli superiori, livello di rete e di trasporto
        • il NAT modifica il livello di trasporto
      • viola la comunicazione punto-punto tra host
        • questo crea problemi nel P2P ad esempio
          • risolvibile attraverso relay

      Per rendere raggiungibile direttamente dall’esterno un dispositivo posto dietro NAT é possibile:

      • associare un indirizzo pubblico ad un indirizzo interno direttamento all’interno del Router
      • utilizzare il protocollo UPnP
        • Universal Plug and Play
        • automatizza la soluzione statica precedente
      • relay

    • ICMP

      Protocollo di messaggistica

      • utilizzato da host e router per comunicare informazioni a livello di rete
      • ping

      Messaggi ICMP costituiti da

      • tipo
      • codice

      Utilizzato da traceroute

    • IPv6

      128 bit - 16 Byte Motivazioni principale

      • estendere lo spazio degli indirizzi
      • migliorare la velocitá di eleborazione dell’intestazione
      • non piú best-effort ed elastica ma per facilitare il Quality of Service

      Formato:

      • lunghezza 40B fissa
      • frammentazione non permessa
        • aggiunge messaggi “Packet Too Big”
          • sará il mittente ad adeguarsi alla capacitá trasmissiva del collegamento
      • flow label identifica pacchetti della stesso flusso di dati
      • non c’é piú il checksum
      • non ci sono piú le options
        • possono essere inserite al di fuori dell’intestazioni

      Per la transizioni viene utilzzato il tunnelling

      • IPv6 pacchetti trasportati come payload all’interno di pacchetti IPv4 attraverso router IPv4

  • Routing Algorithms

    vedi: Cammini Minimi

    Astrazione in forma di grafo \(G = (N,E)\)

    • \(N\) insieme di router
    • \(E\) insieme di link

    Costi: \(c(x,x')\) - costo link \((x,x')\)

    Specifiche:

    • global | decentralized
      1. tutti i router hanno topologia completa
        • link state algorithms
      2. i router conoscono solamente i vicini direttamente connessi
        • distance vector algorithms
    • static | dynamic
      1. i cammini cambiano lentamente
      2. i cammini cambiano velocemente, l’algoritmo puó reagire ai cambiamenti

    • Link-State Routing

      Algoritmo di Dijkstra

      • \(O(n^{2})\)
        • esiste anche un costo in quanto i router si devono scambiare necessariamente dei messaggi per avere tutte le informazioni sulla topografia
      • esistono implementazioni piú efficienti in \(O(n\log{n})\)

      I costi dei link sono conosciuti da tutti i router, tutti possono eseguire l’algoritmo di Dijkstra

      • producendo la forwarding table per quel particolare nodo

      Sono possibili oscillazioni

      • scegliendo un particolare cammino piú efficiente fa si di cambiare il costo stesso del cammino
      • aumentando il traffico per quel collegamento

    • Distance Vector Routing

      vedi: Programmazione Dinamica Bellman-Ford Equation

      \(d_{x}(y) = \text{min}_{v}\{c(x,v) + d_{v}(y)\}\)

      dove: \(\text{min}_{v}\) é il minimo calcolato su tutti i vicini \(v\) di \(x\)

      ogni nodo mantiene

      • una stima \(D_x(y)\) per ogni nodo nella rete
      • una stima \(D_v(y)\) dei vicini

      quando la propria \(D_{x}(y)\) cambia lo si scambia tra vicini

      • si ricalcolano le stime
      • questo procedimento porta \(D_{x}(y)\) a tendere a \(d_{x}(y)\)

      L’algoritmo é

      • iterativo
      • asincrono
      • distribuito

      L’algoritmo permette:

      • una veloce propagazione di cambiamenti positivi della rete
      • una lenta propagazione di cambiamenti negativi della rete
        • count to infinity problem
        • risolvibile attraverso la poisoned reverse

      In caso di errori questi si propagano nella rete in quanto i router utilizzano i risultati gli uni degli altri

  • Routing

    Nella realtá:

    • i router non sono tutti identici
    • la struttura reale della rete non é piatta

    Principali problemi:

    • scala
    • amministrazione autonoma
      • ogni admin potrebbe voler controllare il proprio routing

    Quindi si utilizza un Hierarchical Routing

    • collezioni di router

    • Autonomous Systems

      AS

      • Un ISP puó consistere di piú AS
      • Router nello stesso AS utilizzano lo stesso protocollo di routing
        • Intra-AS routing algorithm
      • Router in AS diversi
        • Inter-AS routing algorithm

      Un gateway router

      • terminale rispetto al suo AS
      • connette a router di altri AS

    • RIP

      • advertisement a timer
      • se la table cambia si invia advertisement
      • utilizza poison reverse per evitare ping-pong loops
        • distanza infinita = 16 salti

      RIP implementata su livello applicativo (daemon), advertisement attraverso pacchetti UDP

    • OSPF

      Open Shortest Path First

      • algoritmo a stato del collegamento
      • calcolo dell’instradamento utilizzando Djikstra
      • advertisement direttamente ai vicini
        • advertisement flooding
        • propagati per tutto l'AS
      • direttamente in datagramma IP
        • non ha bisogno del livello di trasporto
      • i messaggi ASPF sono cifrati
      • permette piú cammini a costo minimo
      • ogni link sono possibili metriche diverse per i costi
      • supporto integrato a multicast
      • é possibile strutturare grandi domini in livelli gerarchici ulteriori
        • area locale - local
        • area dorsale - backbone

    • BGP

      Border Gateway Protocol

      • protocollo tra domini
      • eBGP info di raggiungibilitá
      • iBGP propaga le info di raggiungibilitá ai router interni alla sottorete
      • permette alle sottoreti di informare il resto di Internet della propria esistenza

      Si basa sul concetto di sessione di messaggi BGP

      • prefix advertisement tra peers
      • si scambiano pacchetti path vector
        • si informano le altre AS che cosa é raggiungibile passando dalla propria AS
        • attributi
          • AS-PATH
          • NEXT-HOP
      • connessioni semi-permanenti TCP
      • sessioni
        • eBGP
        • iBGP
      • import politics
        • i router di frontiera possono avere politiche differenti per selezionare un advertisement piuttosto che un altro per uno stesso prefisso
          • lunghezza del collegamento
            • AS-PATH

  • Broadcast

    un singolo nodo trasmette a molti

    • duplicazione alla sorgente i pacchetti che invia
      • inefficente
      • non é detto che la sorgente conosca tutti gli indirizzi destinatari
    • duplicazione all’interno della rete
      • flooding
        • un nodo che riceve un pacchetto in broadcast lo duplica e invia a tutti i vicini
        • puó creare cicli e broadcast storm
      • controlled flooding
        • invia solamente se non giá inviato in precedenza
          • fatto con i numeri di sequenza (id)
        • o con RPF (Reverse Path Forwanding)
          • invio del pacchetto solo se é giunto dal cammino piú breve possibile tra nodo e sorgente
      • spanning tree
        • nessun pacchetto ridondante ricevuto da alcun nodo
        • un albero non ha cicli
        • va costruito
          1. selezione di un nodo centrale
            • si inviano dei messaggi di join dagli altri nodi
            • questi messaggi sono reinviati fino a che non si raggiunge un nodo giá inserito nell’albero di distribuzione

  • Multicast

    sistemi mittenti e sistemi riceventi

    • alcuni fanno parte del gruppo multicast altri no
    • anche router che non hanno membri multicast possono fare parte della rete multicast se essenziali al collegamento

    Approcci alla costruzione dell’albero di distribuzione

    • source-based tree
      • shortest path trees
      • RPF
        • permette il pruning su sottoalberi che non contengono membri del multicast
    • group-share tree
      • minimal spanning (Steiner)
        • albero a costo minimo che connetta tutti i router con membri
        • problema NP-completo
        • l’algoritmo é monolitico
          • va rieseguito ogni volta che la rete varia
        • esistono buone euristiche ma rimane poco usato
      • center-base trees

    • DVMRP

      Distance Vector Multicast Routing Protocol

      • flood and prune
        • RPF tree basato sulle routing tables costruite comunicando tra i router DVMRP
        • non assume nulla sull’unicast sottostante
        • i router non nel gruppo possono mandare messaggi di pruning upstream
      • soft state
        • resetta lo stato a intervalli di tempo
      • tunnelling
        • utilizzato per collegare fisicamente router multicast che sono connessi logicamente
        • collegamenti virtuali
          • datagrammi multicast inseriti in datagrammi non multicast

    • PIM

      Protocol Independent Multicast

      • non dipende dall’algoritmo di routing utilizzato al livello di unicast
      • due scenari di distribuzione
        1. dense
          • membri posizionati densamente
          • ampiezza di banda piú importante
          • i router fanno implicitamente parte della distribuzione
            • devono chiedere il pruning loro stessi
          • data-driven mcast tree (RPF)
            • flood and prune
            • meccanismo di protocollo per informare i nodi se sono foglie
        2. sparse
          • membri largamente sparsi
            • in reti diverse
          • ampiezza di banda non altrettanto importante
          • l’appartenenza al gruppo va richiesta esplicitamente
          • receiver-driven mcast tree (center-based)
            • i router inoltrano messaggi di join verso il rendezvous point
            • i messaggi sono inviati tramite unicast al centro che poi distribuisce

Livello di Collegamento

I protocolli di questo livello lavorano su frame, che incapsulano i datagrammi Il livello tratta di link tra nodi

  • wired
  • wireless
  • LANs

I protocolli di questo livello si trovano su tutti i nodi della rete

  • netword interface card - NIC
    • scheda di rete

Implementati in parte in hardware, in parte in firmware (controller della scheda), in parte in software

  • Servizi

    • framing
      • incapsulamento di un datatramma
      • aggiunge header, trailer
      • accesso condiviso se il medium é condiviso
      • MAC address che identificano sorgente e destinazione del frame
    • trasferimento dati affidabile
      • in particolare per i collegamenti con alto tasso di errori
        • wireless
    • flow control
    • error detection
    • error correction
    • half-duplex - full-duplex

  • Errori

    • Detection & Correction

      Bit aggiunti al datagramma:

      • EDC - Error Detection and Correction bits

      I bit sono controllati da ricevente

      • possono esserci errori non rilevati anche se raramente

      • Parity checking

        • paritá singola
          • permette di individuare errori di singoli bit
          • non molto sicuro ma semplice e veloce
        • paritá bidimensionale
          • permette di individuare e correggere errori di singoli bit

      • Cyclic Redundancy Check

        • \(R\) bit tali che
          • \(\langle D,R \rangle\) divisibile per \(G\)
        • permette di individuare fino a \(r\) errori di bit consecutivi
          • questo perché solitamente gli errori si presentano in burst
        • \(D \cdot 2^{r}\: \textsc{xor}\: R = nG\)

  • Protocolli ad Accesso Multiplo

    Esistono mezzi broadcast condivisi oltre a quelli point-to-point

    • si verificano interferenze/collisioni se due o piú nodi trasmettono allo stesso momento

    I protocolli di questo tipo:

    • algoritmi distribuiti che determinano quando i nodi possono trasmettere
    • le comunicazioni riguardanti la condivisione del canale possono necessitare il canale stesso
      • in-band channel coordination

    • MAC

      Medium Access Control Protocols

      • channel partitioning
        • suddivisione del canale in parti piú piccole
      • random access
        • il canale non viene suddiviso
        • permette le collisioni
        • quando un nodo ha bisogno del mezzo lo utilizza
          • vengono individuate le collisioni
          • si specifica come risolvere la collisione
            • tipicamente con la ritrasmissione ritardata
      • turns
        • i nodi vanno a turni

      • Channel Partitioning

        • TDMA - channel part

          Time Division Multiple Access

          • accesso diviso su turni
          • ad ogni nodo é assegnato uno slot temporale
            • slot non utilizzati vanno sprecati

        • FDMA

          Frequency Division Multiple Access

          • banda divisa in bande piú piccole
            • su frequenze diverse
          • ogni nodo é assegnato ad una sotto-banda

      • Random Access

        • ALOHA

          • frame di grandezza uguale
          • tempo diviso in slot uguali
          • i nodi sono sincronizzati
          • se 2 piú nodi trasmettono nello stesso slot
            • tutti i nodi registrano la collisione
          • quando un nodo riceve un frame, trasmette nello slot successivo
            • se si verifica una collisione si tenta di ritrasmettere nello slot successivo con una certa probabilitá \(p\), altrimenti ritenterá allo slot successivo ancora con la stessa probabilitá

          Quindi:

          • prob che un nodo abbia successo in un dato slot, \(p(1-p)^{N-1}\)
          • prob che un qualsiasi nodo abbia successo, \(N\cdot p(1-p)^{N-1}\)
          • massima efficienza massimizza questo valore, \(1/e = 0.37\)
            • nel caso migliore solo il 37% del tempo uno slot viene sfruttato

          Nella versione pura, unslotted, di ALOHA non c’é sincronizzazione e qualsiasi nodo puó trasmettere immediatamente quando necessario

          • le collisioni avvengono nelle sovrapposizioni tra le trasmissioni
          • le collisioni aumentano

          In questa versione:

          • prob che un qualsiasi nodo abbia successo, \(p \cdot (1-p)^{N-1} \cdot (1-p)^{N-1}\)
            • \(p \cdot (1-p)^{2(N-1)}\)
          • massima efficienza \(1/e = 0.18\)

        • CSMA

          Carrier Sense Multiple Access Non interrompe la comunicazione altrui

          • se il canale viene individuato come in idle
            • trasmette l’intero frame
          • se il canale é busy
            • rimanda la trasmissione

          A causa del propagation delay le collisioni possono ancora accadere

          • i nodi potrebbero non accorgersi in tempo che il canale é occupato in realtá
          • in caso di collisione tutto il tempo di trasmissione viene sprecato

          • CSMA/CD

            CSMA Collision Detection

            In caso di collisioni si individuano velocemente per interrompere la trasmissione

            • riduce lo spreco del canale
            • Collision Detection
              • LAN
                • si confronta l’intensitá del segnale trasmesso e ricevuto
                • le interferenze creano una variazione di potenza del segnale
                • protocollo utilizzato attualmente per reti Ethernet
              • Wireless
                • piú complesso
                • il segnale ricevuto solitamente é attenuato mentre la trasmissione é piú potente
            • efficienza
              • \(t_{\text{prop}}\) max delay di propagazione tra 2 nodi
              • \(t_{\text{trans}}\) tempo di trasmissione di un frame di dimensione massima
              • \(\text{efficiency} = \frac{1}{1+ 5\frac{t_{\text{prop}}}{t_{\text{trans}}}}\)
                • aumenta con l’aumentare di \(t_{\text{trans}}\)
                • aumenta con il diminuire di \(t_{\text{prop}}\)

            • Algoritmo Ethernet CSMA/CD

              • NIC riceve datagramma, crea frame
              • NIC controlla il canale
                • se occupato aspetta
                • se libero trasmette
                  • se non determina disturbi durante la trasmissione suppone che il frame sia stato inviato correttamente
                  • se determina disturbi invia un jam signal e interrompe la trasmissione
                    • reinvia dopo un determinato quantitativo di tempo
                      • binary backoff
                      • \(k\) casuale tra \(0\) e \(2^{m}-1\) con \(m\) collisioni
                      • NIC aspetta \(k\cdot512\text{bit}\)

      • Turns

        • Polling

          • nodo master invita i nodi slave a trasmettere a turno
          • solitamente slave “dumb”
          • downsides
            • overhead del polling
            • latenza
            • singolo punto di fallimento - master

        • Token

          • token di controllo passato da un nodo all’altro in sequenza
          • downsides
            • token overhead
            • latenza
            • singolo punto di fallimento - token
              • puó essere perso

  • LANs

    • Addressing

      Il nodo destinazione nella rete locale é individuato con gli indirizzi fisici MAC o LAN

      • 48 bit scritto in ROM del NIC
        • scheda di rete
        • 6 coppie esadecimali di 4bit ciascuno
        • indirizzo piatto, non cambia in base alla rete cui é connessa a differenza dell’indirizzo IP
      • l’indirizzo é univoco (unico per la singola scheda)
        • amministrato da IEEE che assegna porzioni di indirizzi a produttori diversi
          • garantisce l’unicitá
      • utilizzato per trasferire da un’interfaccia ad un altro, stesso IP per quanto riguardo il livello di rete

      • ARP

        Address Resolution Protocol Passaggio da IP a MAC

        • nodo contiene una ARP table
          • associa IP/MAC
          • <IP;MAC;TTL>
            • Time to Leave in quanto il collegamento alla sottorete puó cambiare
        • quando si necessitá di un MAC si manda la richiesta nella propria rete
          • il nodo cui corrisponde l'IP della richiesta e se questo é il suo risponde con il proprio MAC
          • cosí viene popolata la ARP table

    • Ethernet

      Inizialmente pensato con una gerarchia definita:

      1. transiver
      2. cavo
      3. interfaccia
      4. controller

      Permettava una velocitá tra 10Mbps e 10 Gbps Inizialmente la topologia era di bus La topologia attuale é quella a stella

      • ora con una switch al centro
      • collegamenti diretti tra nodi e switch
      • non c’é collisione

      I frame Ethernet sono gli stessi indipendentemente dalla velocitá trasmissiva

      • preamble
      • destination (MAC)
      • source (MAC)
      • type
        • solitamente IP ma puó essere un qualunque protocollo
      • data
      • CRC

      I frame che non sono indirizzati al ricevente sono scartati

      • connectionless
      • unreliable
        • non sono inviati ACK
      • protocollo MAC: CSMA/CD w/ binary backoff
        • jam signal in caso di disturbo
          • 48 bit
          • questo quantitativo di bit é utilizzato per attendere un tempo dipendente dalla velocitá del collegamento
        • attesa esponenziale
          • l’adattatore tenta di stimare quanti sono gli adattatori coinvolti

    • Switches

      funzione di store-and-forward dei frame Ethernet

      • trasparenti
        • gli host non sono a conoscenza degli switch
      • plug-and-play
      • self-learning

      Grazie a questi sono possibili trasmissioni simultanee

      • riceve i frame e li inserisce in buffer
      • sceglie i buffer del collegamento in uscita desiderato per i pacchetti
        • le interfaccie sono associate ai nodi raggiungibili tramite una switch table
          • MAC - interfaccia - timestamp TTL
          • popolata tramite autoapprendimento
          • ogni volta che un frame viene ricevuto viene memorizzata l’associazione tra interfaccia e MAC del mittente
          • se il destinatario non é all’interno della tabella allora il frame viene inviato su tutte le interfacce
            • flood
      • le collisioni non avvengono in quanto pacchetti non si incontrano perché smistati su code diverse dallo switch

      Gli switch possono essere collegati tra di loro per creare sottoreti e strutture complesse

    • VLANS

      Permettono di risolvere problemi di privacy e sicurezza delle LAN Porte di uno switch raggruppate in modo che un solo switch fisico operi come piú dispositivi virtuali

      Se switch diversi fanno parte di una stessa VLAN questi sono collegati tra loro da porte particolari:

      • trunk port
        • scambia frame aggiungendo degli identificatori
        • protocollo 802.1Q VLAN

  • Virtualizzazione

    • MPLS

      Multiprotocol Label Switching

      • goal:
        • velocizzare l’inoltro
        • la ricerca dell'IP di destinazione nella tabella di inoltro puó essere lenta
        • introdurre delle etichette per velocizzare lo switching all’interno del frame
          • header MPLS
            • nuova tabella di inoltro piú efficiente
          • l’inoltro viene fatto in base all’etichetta e non viene ispezionato l'IP
          • capacitá di bilanciare il carico
            • l’invio ad uno stesso destinatario puó essere diverso in base all’etichetta associata al frame

      Simile ai Circuiti Virtuali

  • Data Center Netwoking

    Da decine a centinaia di hosts in prossimitá

    L’obiettivo é bilanciare il carico ed evitare bottleneck nell’accesso ai dati

    1. Server rack
    2. TOR switches
    3. Tier-2 switches
    4. Tier-1 switches
    5. Access Router
      • Load Balancer
        • riceve le richieste client esterne
        • dirige il traffico nel data center
        • ritorna i risultati ai client esterni
          • nasconde l’interno del data center dai client
    6. Border Router

    Possono essere possibili diversi schemi di connessione tra i livelli di switch per ottimizzare l’accesso

Incapsulamento

Ogni livello che si discende si aggiunge una intestazione

Sicurezza

Non é stata pensata inizialmente con la sicurezza in mente

  • facilitare la comunicazione tra ricercatori
    • con trasparenza

Malware:

  • virus
  • worm
  • spyware
  • botnet

Attacchi DoS

  • Denial of Service
  • attaccanti rendono le risorse sul server non disponibili per il traffico reale con moltissime richieste

Packet Sniffing

  • con l’accesso ai mezzi trasmissivi (spesso condivisi)
  • intercettazione dei pacchetti trasferiti nel percorso compromesso

IP spoofing

  • invio di pacchetti con IP falso, rubato

Reti Wireless

Oggigiorno le connessioni Wireless sono in numero molto maggiore rispetto a quelle cablate

  • wireless hosts
    • mobile o meno
  • stazioni base
    • funzione di relay tra rete cablata e dispositivi host wireless
    • torri cellulari
    • access points
  • wireless link
    • collegamento tra dispositivi e stazioni base
    • anche tra stazioni base come collegamento di dorsale, backbone link

Modalitá:

  • Infrastruttura
    • stazioni base cui si connettono i dispositivi che permette il collegamento alla rete Internet
  • ad hoc
    • non c’é una stazione base
    • i nodi trasmettono agli altri nodi
    • i nodi devono organizzare loro stessi una rete
      • funzioni di routing e forwarding
  • single hop
  • multiple hop

Collegamento Fisico

  • il segnale radio viene attenuato maggiormente con l’attraversamento dell’etere
  • interferenza con altre sorgenti
    • frequenze occupate da altri
    • motori
  • il segnale radio viene diffuso in tutte le direzioni e puó essere riflesso, producendo cammini differenti, ritardi e sovrapposizioni

SNR - Signal-to-Noise Ratio BER - Bit Error Rate

Questi sono inversamente proporzionali (quasi esponenziale)

  • si aumenta la potenza di segnale in funzione del mezza fisico utilizzato per minimizzare il BER
  • un piccolo calo SNR introduce un BER elevato

Se dei terminali sono nascosti questi non possono verificare le trasmessioni l’uno dell’altro

  • trasmettono comunque e interferiscono tra loro
  • hidden terminal problem

CDMA

Code Division Multiple Access

  • gli utenti condividono la stessa frequenza
  • gli utenti hanno una frequenza di chipping per codificare le proprie trasmissioni
  • il ricevente puó estrarre il segnale utilizzando la frequenza di chipping
  • segnali ortagonali interferiscono tra loro ma é possibile recuperare i dati originali

Protocolli

  • 802.11

    Wireless LAN Copertura abbastanza limitata ma ad alta velocitá

    • esiste una versione a lunga portata: 802.11a,g point-to-point
    • 2.4GHz - 2.485GHz
      • 11 canali
      • i canali si sovrappongono, possono avvenire delle interferenze
        • solo 1, 6, 11 non si sovrappongono
      • per gestire l’aumento di BER si cambia tipo di trasmissione, piú lenta ma anche piú efficace

    Le stazioni base in modalitá infrastruttura sono gli AP, Access Points

    • trasparente rispetto alla rete

    Le cells sono i BSS, Basic Service Sets

    • in modalitá ad hoc contengono solo i terminali

    Gli host si associano agli AP

    • passive scanning
      • frame beacon trasmessi dall'AP
        • contiene SSID e MAC dell’access point
    • active scanning
      • probe request broadcast
      • probe request frame dall'AP

    • Accesso Multiplo

      Evitare le collisioni Utilizza CSMA

      • se si nota una trasmissione in corso si aspetta

      Rimangono problemi

      • decadimento del segnale
      • terminali nascosti

      Non é implementata collision detection

      • Sender
        • DIFS
          • timer di attesa
        • se canale idle dopo DIFS
          • trasmetti frame
        • altrimenti
          1. aspetta random backoff time
          2. trasmetti frame
          3. aspetta ACK, se non lo si riceve si riparte da 1.
      • Receiver
        • frame ricevuta OK
        • trasmetti ACK dopo SIFS
          • ACK necessario a causa del problema del terminale nascosto

    • Capacitá ulteriori

      • power management
        • nodo si spegne attendendo il prossimo beacon frame
        • AP non trasmette nodi a questo nodo

  • 802.15

    Infrastruttura master - slave

    • 10m di diametro
    • rimpiazza i cavi per device
      • mouse, tastiere, cuffie
    • ad hoc
      • non c’é infrastruttura
    • evoluzione del Bluetooth
    • 2.4 - 2.5 GHz
    • fino a 721 kbps

Cellulari

Basate sul concetto di cella

  • base station
    • potenza molto alta ma per il resto equivalente agli AP
  • air interface
  • MSC - Mobile Switching Center
    • connette le celle
    • gestisce la mobilitá dei device
      • hand-over da una stazione base ad un altra

Tecniche di condivisione di banda:

  • FDMA / TDMA
    • divide spettro in canali di frequenze
    • divide canali in slot temporali
  • CDMA
    • code division multiple access

  • 2G

    Voice network

    1. BSS
      • stazioni base
    2. MSC
    3. Gateway MSC
    4. rete telefonica pubblica, cablata

  • 3G

    Voice + Data network Divisione tra le due reti per permettere scalabilitá

    1. BSS
    2. radio network controller
      1. MSC
        • gateway
        • rete telefonica pubblica
      2. SGSN
        • GGSN
        • Rete Internet

Mobilitá

Un dispositivo che si sposta, si connette e disconnette attraverso AP diversi

  • la mobilitá piú elevata si ha quando il dispositivo pur spostandosi e cambiando AP mantiene una stessa connessione

  • home network

    • indirizzo IP permanente

  • home agent

    • gestisce le funzioni di mobilitá per conto del dispositivo mobile quando quest’ultimo non si trova all’interno della rete domestica

  • visited network

  • foreign agent

Ci sono diversi approcci possibili

  • si lascia la gestione ai router
    • non scalabile
    • le tabelle sarebbero ingestibili con milioni di utenti che si spostano
  • si lascia la gestione ai terminali
    • indirect routing
      • comunicazione passa per home agent poi per remote
    • direct routing
      • il corrispondente ottiene l’indirizzo foreign del mobile

Il mobile si registra contattando il foraign agent

  • questo contatta l'home agent
  • entrambi sanno come contattare l’utente mobile

  • Mobile IP

    • indirect routing
    • agent discovery
      • agent advertisement
        • foreign/home agents fanno broadcast di messaggi ICMP

  • Cellulare

    • indirect routing
      • switching center home controlla il proprio registro
      • contatta lo switching center visitato creando la connessione

  • Handoff

    1. vecchio BSS informa MSC dell’handoff
      • lista di piú di uno BSS
    2. MSC imposta il cammino per il nuovo BSS
    3. nuovo BSS alloca canale audio per l’uso
    4. nuovo BSS signala MSC e vecchio BSS
      • pronto
    5. vecchio BSS segnala MSC
      • pronto
    6. mobile nuovo segnale BSS per attivare il nuovo canale
    7. mobile segnala attraverso nuovo BSS a MSC
      • handoff complete
    8. MSC rilascia risorse del vecchio BSS

    In caso di MSC diversi l’originale ha funzione di ancora verso un nuovo MSC